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平兴煤矿被动源地震探测采空区技术应用研究
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摘要：为探测阳泉煤业（集团）平定东升兴裕煤业有限公司平兴煤矿15#煤层底板采空区分布状态，采用被动源地震探测技术开展研究。采用常规带通滤波加F-K滤波相结合的多方法联合滤波方式，提高地震信号的信噪比。采用时域互相关方法提取频散曲线与面积互相关方式计算并提取频散曲线。频散曲线反演获得相应的S波速度结构剖面图表明，煤层底板共存在4处采空区，在煤层的底板高程附近，低速特征部分地段不甚明显。
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高效、准确探测采空区对煤矿安全和煤炭资源利用具有非常重要的意义[1-5]。主动源三维地震的勘探方法是实施采空区探测及采空边界圈定的主要手段之一，但受采空区自身的特殊性和勘探方法的局限性、多解性等多种条件制约，影响了主动源三维地震的勘探方法对采空区探测及其边界的圈定精度[6]。
被动源地震的勘探方法是利用自然界广泛存在的背景噪声成像，从而获得地下介质的速度结构。该方法不需人工震源，利用速度的突变等特征来对采空区等地质现象予以解释，且具有不受震源位置分布的影响、价格低廉等优势[7]。可根据速度的突变结合已知地质资料圈定采空区的边界。故拟对阳泉煤业（集团）平定东升兴裕煤业有限公司平兴煤矿（简称“平兴煤矿”）15#煤层开展被动源地震探测技术，以探究采空区分布特征。
1、工程概况
平兴煤矿15#煤层位于太原组下段中部，上距12号煤层平均67.96 m。井田内煤层厚度2.70～8.44 m，平均5.84 m。顶板为泥岩，局部为砂质泥岩、粉砂岩；底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。本次探测研究的即为15号煤层的采空区。研究区内15#煤层厚度为6.29～6.77 m，平均6.58 m；煤层底板标高一般介于490～660 m之间，总体呈北高南低的形态，倾角一般2°～17°，埋藏深度一般为240～480 m。
2、被动源观测方式与工程布置
为同时满足主动源三维地震的施工需求和被动源地震的研究需求，一次性在研究区地表布置了5 529个采集站，同时进行数据采集。台阵范围约2.13 km2,共布置测线51条，采集站的网度为10 m×40 m，即测线上采集站点距为10 m，线距为40 m，测线布设方向为东西向。如图1所示，图中波点线段为采集站，方框点为主动源炮点。
图1 采集站布置示意图
3、被动地震源数据处理
3.1 数据预处理方式
1）数据切分
首先检查并确保连续数据的完整性，然后将单个采集站的连续数据按照相同的时间切分为一定时长的数据文件。根据以往研究成果及经验，将数据切分为6小时时长段，作为基础研究数据。
2）去均值、去趋势
在地震数据采集过程中，会受到环境和人为因素干扰，最终导致记录到的波形产生“倾斜”和“零漂”以及“毛刺”等现象，去均值、去趋势等能有效消除该现象。同时去均值和去趋势可以有效地消除直流分量的影响。
3）滤波
采用带通滤波方式有效消除无关信号干扰。同时，分析本次获得的数据认为，研究区内存在多种干扰，计算获得的互相关函数零时刻尖峰干扰严重，地震数据信噪比偏低，因此采用了带通滤波加与F-K滤波相结合的多方法滤波方式，提高了信号的信噪比，叠加后频散能量更加收敛，易于拾取，如图2所示。
图2 F-K滤波前后频散能量图对比
4）时域归一化
时域归一化是数据预处理过程中的重要过程，直接影响着后续互相关计算结果的好坏。这一步主要是为了消除一些台站周围不平稳的噪声，例如天然地震、人为噪声等等随机因素，然后得到纯净的背景噪声。采用滑动平均归一化方法。
5）谱白化
谱白化操作主要是为了使振幅谱“拉平”，以减弱一些持续性单色源的影响，平衡各个频率信号的强度。
3.2 时域与频域互相关对比
在利用被动源地震反演S波速度结构时，针对研究区的具体特点，对多项关键处理参数进行了对比分析，并最终选定最佳的参数，进一步掌握被动源地震探测煤矿采空区的关键技术。采用中国煤炭地质总局自主研发的“背景噪声S波速度结构反演软件”进行数据的处理分析对比。
通过互相关计算，分别获取了频域互相关与时域互相关的数据，如图3所示。
图3 26/1 360点频域互相关与时域互相关频散能量图对比
如上图所示，基于空间自相关法的频域互相关法计算的频散能量图部分点处存在频散能量不收敛、相速度随频率升高而增大、无法拾取频散曲线的现象；而相同点处的时域互相关获得的频散能量较为聚焦，能量收敛效果优于频域互相关，可以准确拾取频散曲线。
究其原因，认为探测施工期间，研究区附近的井下工作面正在实施采掘施工，导致来自地下的体波干扰信号较强，加之，研究区内存在多种不明的较强干扰，使得互相关函数零时刻尖峰干扰严重。因此，本次宜采用时域互相关方法提取频散曲线。
3.3 线性互相关与面积互相关对比
在研究区内，选定具有较明确已知资料地段的测线，对时域互相关的线性互相关与面积互相关两种方式进行对比分析，以便利用已知资料作为标准，对数据的可靠性作出客观评价。结合已知地质资料，选定了本次布置的检波线26线，进行处理对比分析，见图4。
图4 26/1 080点线性互相关与面积互相关频散能量图对比
上组图示对比发现，本次研究区内大部分区域的线性互相关与面积互相关的频散能量均可满足提取频散曲线的需求，但是面积互相关的频散能量相对收敛性更好，更聚焦，而且部分地段的线性互相关存在频散能量不聚焦、无法拾取频散曲线的现象（图4(b）无频散曲线数据）。因此，对于诸如研究区特征的同类地段，选用面积互相关方式计算并提取频散曲线效果更佳。
4、被动源地震成果分析
按照对比分析确定的互相关参数及确定的频散拾取方法，选定了采用时域互相关的方式进行面积互相关运算，互相关半径选定为160 m；考虑到同时满足研究精度和高效性、经济性等多种需求的最优组合，选用了采集站点距为40 m，线距为40 m，最终形成的采集站网度为40 m×40 m；数据段时长为6 h。
按照上述参数共提取频散曲线1 393条，采用S波速度反演软件反演得到地下S波速度结构，形成了随深度变化和随高程变化等多种不同的速度体，如图5所示。
图5 反演获得的S波速度体结构示意图
被动源地震以平稳随机过程理论为依据，从获得的背景噪声记录中提取面波的相速度频散曲线，通过对频散曲线反演得到地下介质的S波速度结构。当地层遭受破坏，出现采空区、空洞、孔隙率增大、弯曲变形、结构疏松等特征时，面波相速度会相应出现低速特征，引起频散曲线的低速异常，因而反演得到的S波速度结构同样会出现低速异常。根据这一特点，在S波速度剖面上采空区被强化突出，易于探测解释，低速特征区域可在一定程度上指示采空区的影响区域。
图6 S波速度结构剖面
利用不同点处的拾取的频散曲线反演获得相应的S波速度结构剖面。图6(a）和图6(b）分别为反演形成的等深度和等高程的S波速度结构剖面图。图中方框线框圈定的范围为已知资料显示的15#煤层采空区或疑似采空区地段，该剖面处15#煤层采空区域的底板高程基本介于550～650 m之间。其中1号线框指示的采空区资料较明确，为旧工作面综采形成，15#煤层底板高程约590～600 m，其指示位置与剖面上低速特征区域相关性较好，根据速度的变化特征圈定的曲线范围与采空区位置吻合较好，推测为采空区引起地层速度变化所致；4号线框指示的采空区资料也较明确，为旧工作面综采形成，15#煤层底板高程约610～620 m，其指示位置与剖面上低速特征区域也具有良好的相关性，根据速度的变化特征圈定的曲线范围与采空区位置吻合较好，推测为采空区引起地层速度变化所致；图中2号和3号线框圈定区域为现有资料指示的疑似采空区位置，15#煤层底板高程约560～580 m，根据S波速度剖面特征分析，认为此两处的采空区是存在的，其上方根据速度的变化特征圈定的曲线范围为采空区引起地层速度变化所致，表现出低速特征。
推测分析认为，受设备的采集优势频带范围所限，其采集获取较低频被动源地震信号的能力有所减弱，相应的其较精确的反演深度也会有所变浅，因此，本次研究工作获得的S波速度结构剖面，仅在15#煤层采空区域的上部表现为低速特征，并与采空区具有较好的相关性，而在15#煤层的底板高程附近，低速特征部分地段不甚明显。
5、结语
1）采用了带通滤波加与F-K滤波相结合的多方法滤波方式，提高了信号的信噪比。
2）对频域互相关与时域互相关频散能量图、线性互相关与面积互相关频散能量图进行了对比分析，确定采用时域互相关方法提取频散曲线与面积互相关方式计算并提取频散曲线。
3）频散曲线反演获得相应的S波速度结构剖面图表明，15#煤层底板共存在4处采空区，与现有资料指示的疑似采空区位置吻合较好。在15#煤层的底板高程附近，低速特征部分地段不甚明显。
参考文献:
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文章来源:王锋.平兴煤矿被动源地震探测采空区技术应用研究[J].晋控科学技术,2024,(06):32-35.
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